DE2642874B2 - Current mirror circuit - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromspiegelschaltung mit zwei Transistoren, die aus der gleichen Art von Halbleitermaterial hergestellt sind und vom gleichen Leitfähigkeitstyp sind und von denen jederThe invention relates to a current mirror circuit with two transistors consisting of the same Type of semiconductor material and are of the same conductivity type and each of which einen ersten und einen zweiten Anschluß sowie einen Steueranschluß aufweist, wobei der erste Anschluß und der Steueranschluß des einen Transistors jeweils mit den entsprechenden Anschlüssen des zweiten Transistors verbunden sind und der zweite Anschluß deshas a first and a second connection and a control connection, the first connection and the control terminal of one transistor are each connected to the corresponding terminals of the second transistor and the second terminal of the ersten Transistors mit einer Versorgungsleitung über einen ersten Widerstand verbunden ist und wobei zwischen dem zweiten Anschluß und dem Steueranschluß des ersten Transistors ein Verbindungselement liegt.first transistor is connected to a supply line via a first resistor and wherein a connecting element between the second connection and the control connection of the first transistor lies.
Die Verbindung zweier Transistoren als Stromspiegel zur Erzeugung eines konstanten Bezugsstromes ist bekannt und wird häufig bei der Projektierung integrierter Schaltkreise verwendet. Eine Schaltung dieses Typs ist in F i g. 1 dargestellt. Die beidenThe connection of two transistors as a current mirror to generate a constant reference current is known, and is often in the configuration of integrated circuits r ve turns. A circuit of this type is shown in FIG. 1 shown. The two Transistoren Ti und T2 sind gleich und beide vom Typ npn. Die Basis und der Emitter von Γι sind jeweils mit der Basis und dem Emitter von T2 verbunden. Der Kollektor von Ti ist sowohl mit der gemeinsamen Basis beider Transistoren als auch über einen Widerstand R\ Transistors Ti and T 2 are the same and both of the npn type. The base and emitter of Γι are connected to the base and emitter of T 2 , respectively. The collector of Ti is connected both to the common base of both transistors and via a resistor R \
bo mit einer Versorgungsleitung Vx verbunden. Auch derbo connected to a supply line V x . Also the
eine durch einen Widerstand Rl dargestellte Last a load represented by a resistor Rl verbunden.tied together.
b5 beschriebenen Art mit untereinander nach Dimensionen und Kenndaten verschiedenen Transistoren herstellen kann, die beide vom Typ npn oder beide vom Typ pnp sind. Bei Betrachtung der Schaltung sieht man, daß überb5 described type with each other according to dimensions and characteristics of various transistors, both of the npn type or both of the pnp type are. Looking at the circuit you can see that about
den Zweig a folgender Strom fließt:branch a the following current flows:
Dabei ist Vix die Spannung des Buis-Emitter-Oberganges des Transistors T\ bei in Durchlaßrichtung vorgespanntem Obergang. Unter Vernachlässigung der Basisströme h bezüglich der Kollektorströme, was zulässig ist. wenn die Verstärkung der Transistoren genügend hoch ist, ist der durch den Zweig b fließende Strom gleich I, Da die beiden Transistoren gleich sind und die gleiche Basis-Emitter-Spannung Vbe haben, ist der durch den Zweig d fließende Strom gleich dem durch den Zweig b fließende Strom. Der Zweig c wird von einem Strom I0 durchflossen, der ungefähr gleich dem Strom ist, der durch den Zweig d fließt, woraus sich ei gibt: Vi x is the voltage of the buis-emitter junction of the transistor T \ with the junction biased in the forward direction. Neglecting the base currents h with respect to the collector currents, which is permissible. if the gain of the transistors is sufficiently high, the current flowing through branch b is equal to I. Since the two transistors are equal and have the same base-emitter voltage Vbe , the current flowing through branch d is equal to that through branch b flowing stream. A current I 0 flows through branch c , which is approximately equal to the current flowing through branch d , which gives ei:
Dementsprechend wird der Belastungswiderstand Rl durch einen konstanten, durch vorgegebene Schaltkreisparameter bestimmten Strom durchflossen.Accordingly, the load resistor Rl is traversed by a constant current determined by predetermined circuit parameters.
Wenn die Verstärkung der Transistoren gering ist und die Basisströme bezüglich der Kollektorströme nicht mehr vernachlässigt werden können, kann de Gleichung (2) nicht mehr in erster Annäherung als gültig betrachtet werden. Eine bekannte Maßnahme zur Verringerung des Einflusses der Basisströme auf die Kollektorströme besteht darin, die direkte Verbindung zwischen Kollektor und Basis des Transistors T\ durch die Basis-Emitter-Strecke eines dritten Transistors zu ersetzen, der von gleicher Art ist wie die beiden Transistoren des Stromspiegels und dessen Kollektor mit der Versorgungsleitung verbunden ist Dadurch reduziert sich der im Zweig a fließende Strom um einen Faktor, der gleich der Verstärkung Are des dritten Transistors istIf the gain of the transistors is low and the base currents with respect to the collector currents can no longer be neglected, equation (2) can no longer be considered valid as a first approximation. A known measure to reduce the influence of the base currents on the collector currents is to replace the direct connection between the collector and base of the transistor T \ by the base-emitter path of a third transistor, which is of the same type as the two transistors of the current mirror and whose collector is connected to the supply line. As a result, the current flowing in branch a is reduced by a factor which is equal to the gain Are of the third transistor
Bei der Erörterung der bekannten Schaltung wurde die Abhängigkeit von Vbe von der Temperatur vernachlässigt Bei starken Temperatursprüngen erfährt der Strom I„ der, wie aus Gleichung (1) resultiert, von Vbe abhängt, starke Schwankungen. Diese Schwankungen wirken sich auf den Strom Ic aus, der demzufolge nicht mehr als konstant betrachtet werden kann.In the discussion of the known circuit, the dependence of Vbe on the temperature was neglected. In the event of sharp temperature jumps, the current I ", which, as is shown in equation (1), depends on Vbe, experiences strong fluctuations. These fluctuations affect the current I c , which consequently can no longer be regarded as constant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stromspiegelschaltung der eingangs genannten Art die temperaturbedingten Stromschwankungen zu kompensieren.The invention is based on the object in a current mirror circuit of the type mentioned to compensate for temperature-related current fluctuations.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den zweiten und den ersten Anschluß des ersten Transistors ein Temperaturkompensationszweig geschaltet ist, der einen zweiten Widerstand und mindestens eine in Flußrichtung vorgespannte Halbleiterdiode besitzt und einen Kompensationsstrom führt, dessen Wert im wesentlichen gegeben ist durch den Quotienten aus der Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluß des ersten Transistors und dem Wert des ersten Widerstands, wobei der Steueranschluß bezüglich des ersten Anschlusses in Durchlaßrichtung vorgespannt istAccording to the invention, this object is achieved by that between the second and the first terminal of the first transistor a temperature compensation branch is connected, which has a second resistor and at least one forward-biased semiconductor diode and a compensation current leads, the value of which is essentially given by the quotient of the voltage between the first and the second terminal of the first transistor and the value of the first resistor, the control terminal is forward biased with respect to the first terminal
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigtThe invention is explained below using exemplary embodiments in connection with the Drawings explained in more detail. In the drawings shows
F i g. 1 schematisch die bereits erörterte bekannte Stromspiegelschaltung,F i g. 1 schematically shows the known current mirror circuit already discussed,
erfindungsgemäßer Temperaturkompensation,temperature compensation according to the invention,
Fig.3 schematisch eine Stromspiegelschaltung mit Kompensation der Basisströme und mit erfindungsgemäßer Temperaturkompensation,3 schematically shows a current mirror circuit with Compensation of the base currents and with temperature compensation according to the invention,
Fig.4 schematisch eine Stromspiegelschaltung mit Kompensation der Basisströme und einer modifizierten erfindungsgemäßen Temperaturkompensation, und4 schematically shows a current mirror circuit with Compensation of the base currents and a modified temperature compensation according to the invention, and
Fig.5 schematisch eine Stromspiegeischaltung mit Feldeffekt-Transistoren und mit erfindungsgemäßerFig. 5 schematically a current mirror circuit with Field effect transistors and with the invention
ίο Temperaturkompensation.ίο temperature compensation.
In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei Betrachtung der Schaltung von Fig.2 erkennt man, daß es sich um eine Stromspiegelschaltung der inIn the various figures, elements that correspond to one another are provided with the same reference symbols. When looking at the circuit of Fig.2 recognizes one that it is a current mirror circuit of the in Fig. 1 dargestellten Art handelt, wobei jedoch erfindungsgemäß ein Zweig hinzugefügt wurde, um den Temperatureinfluß auf den Strom des Kollektors des Transistors T2 zu kompensieren. Und zwar liegt zwischen dem Kollektor und dem Emitter desFig. 1 acts, but according to the invention a branch was added to compensate for the temperature influence on the current of the collector of the transistor T 2. And that lies between the collector and the emitter of the Transistors 71 ein Widerstand R2 in Serie mit zwei in der gleichen Leitungsrichtung angeordneten Dioden D\ und D2. An dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand R2 und der Diode Di ist ein Stromgenerator G angeschlossen, der dazu dient die Dioden D\ und D2 inTransistor 71 is a resistor R 2 in series with two diodes D \ and D 2 arranged in the same conduction direction . At the connection point between the resistor R 2 and the diode Di, a current generator G is connected, which is used for the diodes D \ and D 2 in
hergestellt und haben die gleiche Temperatur wie diemanufactured and have the same temperature as that
daß an den Enden des Widerstandes A2 ein Spannungsabfall (2Vbc- Vbe)= Vbe vorhanden ist; dementsprechend ergibt sich, daß durch R2 ein Strom Ir= VbJR2 fließt Unter Verwendung dieser Beziehung und der Gleichung (1) und unter der Bedingung, daß in diesemthat at the ends of the resistor A 2 there is a voltage drop (2Vbc-Vbe) = Vbe ; accordingly, it is found that a current Ir = VbJR 2 flows through R 2 Using this relationship and equation (1) and on condition that in this Fall die Basisströme in bezug auf die Kollektorströme vernachlässigbar sind, ergibt sich, daß im Kollektor von Γι ein Strom Ia' = Ia+If fließt, für den unter der Annahme R\ = R2 = R gilt:If the base currents are negligible in relation to the collector currents, it follows that a current I a '= I a + I f flows in the collector of Γι, for which, assuming R \ = R 2 = R, applies:
Da U im wesentlichen gleich Λ, und /i,=/c ist sieht man, daß der Strom Ia der durch den Kollektor von T2 Since U is essentially equal to Λ, and / i, = / c , it can be seen that the current I a is that through the collector of T 2 fließt, lediglich von vorgegebenen und konstanten, vonflows, only from given and constant ones, from der Temperatur nicht beeinflußten Parametern abhängtthe temperature does not depend on parameters that are not influenced
beiden Transistoren Ti und T2 relativ gering ist und daßtwo transistors Ti and T 2 is relatively small and that dementsprechend die Basisströme 4 bezüglich deraccordingly the base currents 4 with respect to the
so Kollektorströme nicht zu vernachlässigen sind. In diesem Fall ergibt sich bei den Stromspiegelschaltungen der F i g. 1 und 2 nicht aie gewünschte Symmetrie zwischen den Strömen in den beiden Zweigen. Zur Kompensation des Effektes des Stromes 21b, der imso collector currents are not to be neglected. In this case, the current mirror circuits are shown in FIG. 1 and 2 do not have the desired symmetry between the currents in the two branches. To compensate for the effect of the current 21b, which is in Zweig a fließt, besteht eine an sich bekannte Maßnahme, wie schon erwähnt, darin, den Kurzschluß Basis-Kollektor des Transistors 1 zu ersetzen durch die Emitter-Basis-Strecke eines weiteren Transistors. Eine Schaltung dieser Art ist in F i g. 3 dargestellt, wo ein npn-TransiBranch a flows, a measure known per se, as already mentioned, consists in replacing the short-circuit base-collector of transistor 1 with the emitter-base path of a further transistor. A circuit of this type is shown in FIG. 3 shows where an npn transi stör Ty mit seiner Basis an den Kollektor von Ti, mit seinem Emitter an die Basis von Γι und mit seinem Kollektor an die Versorgungsleitung Cx angeschlossen ist. Auf diese Weise wird der in den Zweig a fließende Strom:interferes with Ty with its base to the collector of Ti, with its emitter to the base of Γι and with its collector to the supply line C x is connected. In this way the current flowing in branch a becomes:
2 /„2 / "
dabei ist Äff (Ts) die Verstärkung des Transistors Ty. where Äff (Ts) is the gain of the transistor Ty.
Dieser Strom ist sicherlich in bezug auf die Kollektorströme zu vernachlässigen.This current can certainly be neglected in relation to the collector currents.
Auch bei der Stromspiegelschaltung nach F i g. 3 ist es möglich, die erfindungsgemäße Kompensation der temperaturbedingten Stromschwankungen vorzunehmen. Dies erfolgt in analoger Weise zu der in Fig.2 dargestellten Kompensation. Es wird also eine Gruppe von vier statt zweier in Serie geschalteten Dioden in der Weise verwendet, daß ein Spannungsabfall von 4Vi4. zustande kommt. Das gleiche Ergebnis wird auch dadurch erhalten, daß eine an sich bekannte sogenannte Vie-Multiplikator-Stufe verwendet wird, die aus zwei in Serie geschalteten Widerständen R3 und R* sowie aus einem npn-Transistor T4 besteht, dessen Kollektor mit dem Verbindungspunkt zwischen dem Stromgenerator G und dem Widerstand R2 verbunden ist und dessen Emitter mit den Emittern von Ti und T2 verbunden ist und dessen Basis mit dem Verbindungspunkt zwischen R] und Ra verbunden ist Man sieht, daß am Widerstand T2 der Spannungsabfall (4V4*-2 V1x) = 2 V1x beträgt, weshalb If= 2 VixJR2 und es ist unter der Voraussetzung Ra = R und R3=3R der in den Kollektor von T1 fließende Strom /„' = /„ + Ir= Even with the current mirror circuit according to FIG. 3 it is possible to compensate for the temperature-related current fluctuations according to the invention. This is done in a manner analogous to the compensation shown in FIG. A group of four instead of two diodes connected in series is used in such a way that a voltage drop of 4Vi 4 . comes about. The same result is also obtained in that a so-called Vie multiplier stage, known per se, is used, which consists of two series-connected resistors R3 and R * and an npn transistor T 4 , the collector of which with the connection point between the Current generator G and resistor R 2 is connected and its emitter is connected to the emitters of Ti and T 2 and its base is connected to the connection point between R] and Ra . It can be seen that the voltage drop across resistor T 2 (4V 4 * - 2 V 1x ) = 2 V 1x , which is why If = 2 Vi x JR 2 and, assuming Ra = R and R 3 = 3R , the current flowing into the collector of T 1 is / "'= /" + Ir =
2Vh, R 2V h , R
Somit ist der Ausgangsstrom der Stromspiegelschaltung auch hier temperaturunabhängig.The output current of the current mirror circuit is therefore temperature-independent here as well.
In Fig.4 ist eine weitere Stromspiegelschaltung dargestellt, in der die Kompensation der Basisströme durch einen Feldeffekt-Transistor Ts erzielt wird, dessen Source-Anschluß mit den Basisanschlüssen der Transistoren 7Ί und Ti verbunden ist, dessen Gate-Anschluß mit dem Kollektor T\ verbunden ist und dessen Drain-Anschluß an die Versorgungsleitung V«. angeschlossen ist Mit dieser Maßnahme ist die Kompensation besser als bei einem Transistor mit pn-Übergängen, und zwar dank der hohen Eingangsimpedanz des Feldeffekt-Transistors. In diesem Fall wird die Kompensation der Temperaturschwankungen dadurch erhalten, daß sowohl ein Diodenpaar Dh D2 wie bei der Schaltung nach F i g. 2, als auch ein Paar Feldeffekt-Transistoren Tf, und Ti verwendet werden, die aus dem gleichen Halbleitermaterial hergestellt worden sind wie der Transistor T5. Wie aus dem Prinzip-Schaltbild von F i g. 4 ersichtlich ist, sind die Drain-Anschlüsse von Tt und Ti mit der Versorgungsleitung V1x verbunden, and der Transistor 76 ist mit seinem Source-Anschluß mit der Anode von D\ verbunden und mit seinem Gate-Anschluß mit dem Source-Anschluß von Τη. Der Transistor Ti ist mit seinem Gate-Anschluß mit dem Stromgenerator G und dem Widerstand R2 verbunden, dessen anderes Ende mit dem Kollektor des Transistors T] verbunden ist. Zwischen den Gate- und den Source-Anschluß des Transistors 7*6 ist ein Widerstand Rs geschaltet, um die Vorspannung der Dioden D\ undIn Figure 4, a further current mirror circuit is shown in which the compensation of the base currents is achieved by a field effect transistor Ts , the source terminal of which is connected to the base terminals of the transistors 7Ί and Ti , the gate terminal of which is connected to the collector T \ and its drain connection to the supply line V «. With this measure, the compensation is better than with a transistor with pn junctions, thanks to the high input impedance of the field effect transistor. In this case, the compensation of the temperature fluctuations is obtained in that both a pair of diodes D h D 2 as in the circuit according to FIG. 2, as well as a pair of field effect transistors Tf, and Ti can be used, which have been produced from the same semiconductor material as the transistor T 5 . As from the principle circuit diagram of FIG. 4, the drain terminals of Tt and Ti are connected to the supply line V 1x , and the transistor 76 has its source terminal connected to the anode of D \ and its gate terminal to the source terminal of Τη . The gate terminal of the transistor Ti is connected to the current generator G and the resistor R 2 , the other end of which is connected to the collector of the transistor T] . A resistor Rs is connected between the gate and source of the transistor 7 * 6 in order to bias the diodes D \ and
is D2 in Durchlaßrichtung zu ermöglichen.is to allow D 2 in the forward direction.
Wird Rt = R2=R gesetzt, so ist der den Kollektor von Ti durchfließende Strom IB' = Ia+h Es ist ersichtlich, daß:If Rt = R 2 = R is set, then the current flowing through the collector of Ti is I B '= I a + h It can be seen that:
L = L =
Vcc - V cc -
VccVcc
+ V1., + V 1. ,
Dabei ist Vcs die Spannung zwischen Gate-AnschluC und Source-Anschluß eines beliebigen der Feldeffekt-Transistoren. Da Vcs is the voltage between the gate connection and the source connection of any one of the field effect transistors. There
I, =I, =
VasVas
ergibt sich auch in diesem Fall:also in this case:
und somit ist /c temperaturunabhängig.and thus / c is independent of temperature.
In F i g. 5 ist eine Stromspiegelschaltung dargestellt, in der die Transistoren Ti und T2 Feldeffekt-Transistoren sind Die Temperaturkompensation wird erfindungsgemäß mit zwei Feldeffekt-Transistoren T6 und T7 erhalten, und zwar im wesentlichen in der gleichen Weise wie im Zusammenhang mit Fig.4 beschrieben wurde.In Fig. 5 is a current mirror circuit is illustrated, in which the transistors Ti and T 2 field effect transistors are the temperature compensation is obtained according to the invention with two field effect transistors T 6 and T 7, namely in substantially in the same manner as described in connection with Figure 4 became.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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